桩-桶复合基础弯矩承载力的上限解

《Ocean Engineering》：Upper bound solution of the moment capacity of the pile-bucket composite foundation

海床稳定性评价；复合基础极限弯矩；模型试验与有限元分析；上界定理应用；破坏模式识别；风电基础设计优化；软粘土力学特性；耦合荷载效应；虚拟功原理推导；承载能力理论框架

　　
复合基础极限抗弯能力研究：多维度分析方法与理论突破

研究背景与意义
在近海风电开发领域，复合基础作为连接式基础与单桩基础的优化组合结构，因其独特的力学特性备受关注。此类基础通过单桩与桶形基础的协同作用，在保持单桩垂直承载优势的同时，显著提升抗弯性能。然而，由于基础形态的复杂性，其极限抗弯机理尚未形成系统理论框架。本研究针对这一技术瓶颈，创新性地整合了物理模型试验、有限元数值模拟与极限分析理论，构建了完整的复合基础抗弯评估体系。

力学特性与破坏模式
实验研究表明，复合基础在极限弯矩作用下呈现出两种典型破坏模式：对称环形旋转破坏与混合型塑性铰发展。当基础高度与直径比（H/D）小于0.5时，基础整体保持稳定，抗弯系数随H/D增大基本保持不变。而当H/D介于0.5至1之间时，破坏区域仍保持整体性特征，但塑性铰发展中心下移，抗弯系数提升约15%-20%。这种形态转变揭示了基础刚度的空间重构规律，为结构优化提供了关键参数。

理论建模创新
研究团队突破传统单因素分析框架，建立了包含土-结构相互作用的三维分析模型。通过设置两种不同边界条件的运动学场，成功构建了极限弯矩的上界解模型。该模型创新性地引入"滑移-刚性"双区耦合理论，将基础下方土体划分为动态滑移区与静态刚性区，通过能量守恒原理推导出抗弯系数与几何参数的显式关系式。理论预测与实验数据最大偏差仅6.9%，验证了模型的有效性。

数值模拟验证
采用ABAQUS平台开发了小应变有限元分析模块，重点考察了两种关键参数的影响：其一，黏聚力梯度系数k（1.2kPa/cm）的设置直接影响滑移面形态，当k值超过1.5kPa/cm时，破坏模式由环形旋转转为多塑性铰协同；其二，基础间距比（D/d）在0.8-1.2区间时，组合效应最为显著，可提升整体抗弯能力达30%以上。数值模拟结果与离心机试验数据（误差范围0.398%-6.896%）高度吻合，证实了模型可靠性。

工程应用价值
研究成果已成功应用于三个实际工程案例：1）南海10MW漂浮式风机基础，通过优化H/D比（0.6→0.55）降低钢材用量12%；2）黄海区域深水复合基础，将单桩基础直径减小18%仍满足规范要求；3）渤海湾潮间带基础，抗弯系数提升达27%，显著优于传统单桩结构。经济性分析表明，在基础成本允许范围内，合理配置H/D比（0.4-0.7区间）可使单台机组基础成本降低15%-20%。

理论突破与学术贡献
本研究在以下方面实现突破：1）首次建立复合基础极限弯矩的统一理论模型，涵盖H/D比0.2-2.0的全域范围；2）提出"双区耦合"破坏准则，准确描述不同H/D比下的塑性区演化规律；3）开发新型数值模拟方法，将计算效率提升40%同时保持精度（相对误差<5%）。这些成果被国际同行评价为"为近海结构设计提供了新的理论范式"（ASCE期刊2025年评论）。

技术实施路径
研究采用"三阶段递进"方法：第一阶段通过1:50缩比模型试验（累计加载2000次循环），建立包含6种典型破坏模式的数据库；第二阶段开发专用有限元模块，实现土-结构-海床多场耦合分析；第三阶段运用极限平衡理论，构建包含3个关键参数（H/D、D/d、C值）的简化计算公式。该技术路径已在《Offshore Engineering》特刊中形成方法论标准。

未来研究方向
团队正在拓展研究边界条件：1）针对冻土环境，开发包含温度应变的耦合分析模型；2）探索大直径基础（D>15m）的失稳机理；3）将研究成果纳入ISO 19902-2026修订版标准。近期与中船重工合作开发的智能监测系统，已实现实时抗弯能力评估，为海上风电运维提供新方案。

项目支持体系
本研究获得国家重点研发计划（2024YFB4707300）、国家自然科学基金联合基金（U21A20164）等5项省部级项目资助，形成包含12篇SCI论文、3项发明专利的技术集群。特别值得关注的是，项目建立的"理论-数值-实验"三级验证体系，已被写入《中国近海基础结构设计指南（2025版）》附录C。

结论与展望
该研究首次完整揭示复合基础极限抗弯能力的本质规律，为近海风电基础设计提供了关键理论支撑。研究证实：当H/D比控制在0.4-0.7区间时，抗弯性能达到最优平衡状态；基础间距比D/d=1.2时，组合效应呈现峰值特征。这些发现已被纳入国际风电工程协会（WindEurope）的推荐设计手册，标志着我国在该领域达到国际领先水平。后续研究将聚焦于极端海况下的动态抗弯能力评估，以及人工智能辅助的结构优化设计。